無線局域網(wǎng)WLAN中MAC層和PHY層

1、WLAN中MAC子層接入技術(shù)的研究在WLAN中完成該功能的是數(shù)據(jù)鏈路層DLC的介質(zhì)訪問控制MAC子層?？梢哉f，WLAN的網(wǎng)絡(luò)性能完全取決于MAC子層的接入?yún)f(xié)議。所以，制定適當(dāng)?shù)腗AC子層規(guī)范，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)特征有效地配置信道資源，提高無線資源的使用效率，提高系統(tǒng)的容量和傳輸質(zhì)量，是未來WLAN研究的重要課題。一.引言: 移動(dòng)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的解決方案可以分為兩種：廣域方案和局域方案。廣域方案主要是依靠無線蜂窩數(shù)據(jù)通信網(wǎng)和衛(wèi)星通信網(wǎng)作為移動(dòng)計(jì)算的物理網(wǎng);而局域方案WLAN由于具有更高的傳輸速率和更低的通信成本，可作為有線局域網(wǎng)LAN的擴(kuò)展和替代，而顯得格外的引人注目。 WLAN都以多路復(fù)用信道作為通信的基

2、礎(chǔ)，這樣與采用點(diǎn)到點(diǎn)連接的網(wǎng)絡(luò)相比，存在一個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)問題：當(dāng)信道的使用產(chǎn)生競爭時(shí)，如何分配信道的使用權(quán)。在WLAN中完成該功能的是數(shù)據(jù)鏈路層DLC的介質(zhì)訪問控制MAC(medium access control)子層?？梢哉f，WLAN的網(wǎng)絡(luò)性能(吞吐量、時(shí)延等)完全取決于MAC子層的接入?yún)f(xié)議。所以，制定適當(dāng)?shù)腗AC子層規(guī)范，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)特征有效地配置信道資源，提高無線資源的使用效率，提高系統(tǒng)的容量和傳輸質(zhì)量，是未來WLAN研究的重要課題。二. MAC接入機(jī)制的分類 MAC層的中心論題是相互競爭的用戶之間如何分配信道資源。多個(gè)終端共享同一信道資源的方法稱為信道接入方式，或稱多址方式。在無線局域

3、網(wǎng)中MAC子層常用的多址機(jī)制可以分為以下三類：1.隨機(jī)競爭類，如Aloha系列。隨機(jī)競爭類的協(xié)議一般使用公共信道，連接在這條信道上的終端都可以向信道發(fā)送廣播信息。如果終端需要發(fā)送，它以某種方式競爭信道的使用權(quán)，一旦得到使用權(quán)立即發(fā)送，所有的終端都能接收到發(fā)自任一終端的信息，如果檢測到是發(fā)給自己的就接受，否則拋棄。2.按需分配類(或稱預(yù)約類、無競爭類)，如token ring等。這種方法的原則是網(wǎng)絡(luò)按某種循環(huán)順序詢問每個(gè)終端是否有數(shù)據(jù)發(fā)送，如果有則立即發(fā)送，否則網(wǎng)絡(luò)立即轉(zhuǎn)向下一個(gè)終端。輪詢的特點(diǎn)是各分站可以公平地獲取信道訪問控制權(quán)，適用于通信業(yè)務(wù)量隨時(shí)間變化，且這種變化又難以預(yù)測的情況。這種多址

4、方式操作簡單易于實(shí)現(xiàn)，在一般的實(shí)時(shí)分布式測控系統(tǒng)中獲得了廣泛應(yīng)用。3.固定分配類，如FDMA、TDMA、CDMA等。它們的原則是把共享的一條信道分割成若干個(gè)相互獨(dú)立的子信道，每個(gè)子信道又分配給一個(gè)或多個(gè)用戶專用。 以上三類多址接入技術(shù)分別適用于不同的通信業(yè)務(wù)。對(duì)于以話音業(yè)務(wù)為主，通信量穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)，固定分配類可以提供可靠的服務(wù),同時(shí)又保持很高的信道利用率。按需分配類，不存在信息的碰撞，但是通常需要一個(gè)專用信道，所有的用戶在該信道上以固定分配或隨機(jī)接入的方式提出呼叫申請(qǐng)，適用于通信業(yè)務(wù)量隨機(jī)變化且難以預(yù)測的情況。固定分配和按需分配適合于對(duì)實(shí)時(shí)性要求高的業(yè)務(wù)，而隨機(jī)競爭類更適用于間歇性工作的用戶發(fā)送

5、非時(shí)延敏感性的業(yè)務(wù)。三.各類多址方式的優(yōu)劣淺析 固定分配方式如時(shí)分多址(TDMA)和頻分多址(FDMA)等，固定地將信道劃分為不同的子信道分配給各個(gè)用戶。這種分配方法是面向信道的，適用于比較連續(xù)的流業(yè)務(wù)，如語音業(yè)務(wù)，而當(dāng)用戶不發(fā)送信息時(shí)，分配給它的信道將白白浪費(fèi)。 CDMA是固定分配方式和隨機(jī)分配方式的結(jié)合，它有著一些顯著的優(yōu)點(diǎn)，如零信道接入時(shí)延，帶寬利用率高和良好的統(tǒng)計(jì)復(fù)用特性，而且使用CDMA技術(shù)能夠在很大程度上降低隱藏終端問題的影響。但是它的缺點(diǎn)是傳輸速率限制和基站復(fù)雜性高。 隨機(jī)接入方式是一種競爭方式的多址接入技術(shù)，適合于強(qiáng)突發(fā)性業(yè)務(wù)，ALOHA是一種簡單的隨機(jī)接入方式，當(dāng)業(yè)務(wù)量較重時(shí)

6、，容易發(fā)生業(yè)務(wù)流碰撞。而載波偵聽多址訪問CSMA技術(shù)使整個(gè)信道帶寬為所有用戶共享，只有當(dāng)信道空閑時(shí)，才允許用戶發(fā)送信息，這種方式降低了碰撞發(fā)生的概率。而CSMA/CA將時(shí)間域的劃分與幀格式緊密聯(lián)系起來，保證某一時(shí)刻只有一個(gè)終端發(fā)送，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的集中控制。但必須看到，時(shí)延、隱藏終端和暴露終端是WLAN固有的問題，目前主要的解決方法是采用RTS/CTS(Request To Send/ Clear To Send)短信息握手機(jī)制。像多址接入沖突預(yù)防協(xié)議MACA(Multiple Access Collision Avoidance)、MACAW(MACA的改進(jìn)型)、FAMA(Floor Acq

7、uisition Multiple Access)等主流的MAC子層協(xié)議都使用了RTS/CTS短分組。 按需分配方式為用戶保留了帶寬，用戶考慮到自己對(duì)帶寬的需求向網(wǎng)絡(luò)提供明確信息。網(wǎng)絡(luò)根據(jù)用戶業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)長度分配帶寬，當(dāng)用戶處于空閑期時(shí)，分配給該用戶的帶寬將分配給其它的用戶。通過按需分配帶寬，網(wǎng)絡(luò)帶寬資源的浪費(fèi)減少到最小，也沒有由于資源競爭而浪費(fèi)的帶寬以及由此產(chǎn)生的時(shí)延，從而可以達(dá)到很高的信息吞吐率。一種簡單的按需分配方式是由中央控制器輪流詢問各個(gè)用戶，當(dāng)用戶需要發(fā)送信息時(shí)，由中央控制器分配帶寬，這就要求中央控制器的穩(wěn)定性相當(dāng)高。 必須指出，多址方式還與網(wǎng)絡(luò)的通信方式密切相關(guān)。預(yù)分配方式或爭用方

8、式對(duì)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)(只有一個(gè)目的終端)的通信方式較適用，但單純的爭用方式對(duì)廣播型(有多個(gè)目的終端)的通信方式并不適用，因?yàn)橐淮螤幱眯诺?，難以保證多個(gè)目的終端都能順利接收，但若采用爭用和預(yù)約相結(jié)合的辦法就可行了?？偠灾?，一種好的MAC子層協(xié)議應(yīng)在以下方面達(dá)到折中：1.公平、有效地分享帶寬資源;2.獲得盡可能高的吞吐量;3.時(shí)延盡可能的小。四.當(dāng)前幾種主流WLAN系統(tǒng)的多址接入機(jī)制。1.802.11 802.11是IEEE(Institute of Electronic and Electrical Engineers)于97年推出的WLAN的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)， 該標(biāo)準(zhǔn)考慮了兩種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：基本結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)BSS

9、和獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)IBSS。BSS是IEEE 802.11結(jié)構(gòu)的基本功能模塊，它覆蓋的地理區(qū)域類似于蜂窩通信網(wǎng)中的蜂窩。在BSS內(nèi)，任一終端可與任一其它終端直接建立通信過程。每個(gè)BSS中有一個(gè)終端作為接入點(diǎn)AP接入分布系統(tǒng)DS，并通過DS與其他BSS相連，形成擴(kuò)展業(yè)務(wù)群ESS，也可以通過DS和PORTAL與其他有線LAN相連。而IBSS是由BSS內(nèi)的一組終端組成，是完全無中心的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。802.11的MAC層的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示： 其中，DCF是無線網(wǎng)絡(luò)對(duì)共享媒體的一種訪問控制功能，其核心是CSMA/CA，包括載波檢測(CS)機(jī)制、幀間間隔(IFS)和隨機(jī)退避(random back-off)規(guī)程。對(duì)

10、802.11而言，網(wǎng)絡(luò)中所有的終端要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，都要按照CSMA/CA的媒體訪問方法接入共享媒體，也就是說需要發(fā)送數(shù)據(jù)的終端首先要監(jiān)聽媒體，以便知道是否有其它終端正在發(fā)送。如果媒體不忙，則可以進(jìn)行發(fā)送處理，但不是馬上發(fā)送數(shù)據(jù)幀，而是由CSMA/CA分布算法，強(qiáng)制性地控制各種數(shù)據(jù)幀相應(yīng)的時(shí)間間隔(IFS)，只有在該類型幀所規(guī)定的IFS內(nèi)媒體一直是空閑的方可發(fā)送。如檢測到媒體正在傳送數(shù)據(jù)，則該終端將推遲競爭媒體，一直延遲到現(xiàn)行的傳輸結(jié)束為止。在延遲之后,該終端要經(jīng)過一個(gè)隨機(jī)退避時(shí)間重新競爭對(duì)媒體的使用權(quán)。退避時(shí)間的設(shè)置：退避時(shí)間按下面的方法選擇后，作為遞減退避計(jì)數(shù)器的初始值。退避時(shí)間=INTCW&

11、#215;Random( )×Slot TimeCW(競爭窗)：在MIB中CWminCwmax中的一個(gè)整數(shù);Random( )：01之間的偽隨機(jī)數(shù);Slot Time：MIB中的時(shí)隙值。 關(guān)于競爭窗CW參數(shù)的選擇，初始值為CWmin，如果發(fā)送MPDU不成功，則逐步增加CW的值，直到CWmax，呈指數(shù)增加，以適應(yīng)高負(fù)載的情況。具體過程如下：1).檢測到媒體空閑時(shí)，退避計(jì)時(shí)器遞減計(jì)時(shí);2).檢測到媒體忙時(shí)，退避計(jì)時(shí)器停止計(jì)時(shí)，直到檢測到媒體空閑時(shí)間大于DIFS后重新遞減計(jì)時(shí)。3).退避計(jì)時(shí)器減少到0時(shí)，媒體仍為空，則該終端就占用媒體。4).退避時(shí)間值最小的終端在競爭中獲勝，取得對(duì)媒體的訪

12、問權(quán);失敗的終端會(huì)保持在退避狀態(tài)，直到下一個(gè)DIFS。5).保持在退避狀態(tài)下的終端，比第一次進(jìn)入的新終端具有更短的退避時(shí)間，易于接入媒體。 CSMA/CA的基礎(chǔ)是載波偵聽，802.11根據(jù)WLAN的媒體特點(diǎn)提出了兩種載波檢測方法。一種是基于物理層的載波檢測CS，從接收射頻或天線信號(hào)檢測信號(hào)能量或根據(jù)接收信號(hào)的質(zhì)量來估計(jì)信道的忙閑狀態(tài);另一種是虛擬CS方式，通過MAC報(bào)頭或RTS/CTS中的NAV來實(shí)現(xiàn)。只要其中之一指示媒體正在被使用，媒體就被認(rèn)為已處于忙狀態(tài)。 以CSMA/CA為基礎(chǔ)的分布協(xié)調(diào)功能(DCF)是MAC的基本訪問方式，DCF只能提供競爭型的異步業(yè)務(wù)，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)难訒r(shí)較大。為了能提供

13、限時(shí)服務(wù)，MAC協(xié)議還提供了一種不適用于IBSS，用戶可按需選擇的點(diǎn)協(xié)調(diào)功能PCF的訪問方式。PCF建立在DCF基礎(chǔ)上，由BSS內(nèi)接入點(diǎn)AP的中心控制器來決定當(dāng)前哪一個(gè)站有權(quán)發(fā)送數(shù)據(jù)。PCF通過DCF以較高的優(yōu)先級(jí)來競爭媒體，訪問媒體的優(yōu)先級(jí)別是以不同的IFS的長短來決定的。PCF用較短的PIFS，使PCF的業(yè)務(wù)優(yōu)先訪問媒體。PCF不象DCF那樣，每個(gè)終端用CCA( Clear Channel Assessment )和隨機(jī)退避來競爭信道，而是點(diǎn)協(xié)調(diào)器用信標(biāo)幀BF(Beacon Frame)定義無競爭期CFP來獲得信道，BF是以一定規(guī)則間隔發(fā)送的定時(shí)信息幀。BSS內(nèi)的所有終端在每一個(gè)CFP的開

14、始，設(shè)置它們的網(wǎng)絡(luò)配置矢量NAV，告訴所有的終端在該NAV內(nèi)要延遲接入媒體。工作在PCF的BSS中的所有終端都能接收到PCF控制下發(fā)送來的所有的幀，也能夠?qū)c(diǎn)協(xié)調(diào)器發(fā)送的無競爭輪詢CF-Poll 作出響應(yīng)。被輪詢終端在CPF內(nèi)不使用RTS/CTS，它只發(fā)送一個(gè)可達(dá)任何目的終端的MSDU，且可以接收到來自下一幀的確認(rèn)應(yīng)答。如果數(shù)據(jù)幀不被應(yīng)答，則CF-Pollable終端將不重發(fā)該幀，除非它再一次被點(diǎn)協(xié)調(diào)器輪詢或它決定在競爭期間重發(fā)。同樣，點(diǎn)協(xié)調(diào)器也不對(duì)未確認(rèn)幀進(jìn)行重發(fā)，它在下一個(gè)CFP內(nèi)根據(jù)注明在輪詢表表頭的終端識(shí)別號(hào)SID重發(fā)未應(yīng)答的幀。 如果一個(gè)CF發(fā)送幀的目的終端不處于無競爭輪詢狀態(tài)，則該

15、終端按DCF應(yīng)答規(guī)則應(yīng)答此次發(fā)送，且點(diǎn)協(xié)調(diào)器在恢復(fù)CF發(fā)送之前要等待一個(gè)PIFS，再控制媒體。點(diǎn)協(xié)調(diào)器可單獨(dú)使用無競爭幀向BSS內(nèi)的終端發(fā)送，無需詢問。由于PCF具有優(yōu)先接入媒體的優(yōu)勢，點(diǎn)協(xié)調(diào)器可在媒體空閑時(shí)占有媒體，進(jìn)入無競爭期，采用輪詢方式在BSS內(nèi)各站來發(fā)送數(shù)據(jù)幀。因此，PCF具有較小的延遲，能促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)吞吐量最佳化，更好的支持無競爭的限時(shí)業(yè)務(wù)，如語音、話音、視頻或多媒體業(yè)務(wù)等。2.HIPERLAN/2 HIPERLAN/2是歐洲通信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)ETSI(European Telecommunications Standards Institute)主推的歐洲標(biāo)準(zhǔn)。HIPERLAN/2無線接口

16、采用的是基于時(shí)分雙工TDD和動(dòng)態(tài)時(shí)分多址TDMA，所謂動(dòng)態(tài)即是由接入點(diǎn)AP配置無線資源并動(dòng)態(tài)調(diào)整MAC幀各部分的結(jié)構(gòu)比例，動(dòng)態(tài)分配信道，以達(dá)到資源的最佳利用。其協(xié)議站結(jié)構(gòu)如下圖： HIPERLAN/2的基本MAC 幀具有2ms的固定時(shí)長，它包括廣播信道BCH、幀信道FCH、接入反饋信道ACH、隨機(jī)接入信道RCH等傳輸信道。其中，BCH的時(shí)長是固定的，每扇區(qū)一個(gè)，其他信道的時(shí)長則根據(jù)當(dāng)時(shí)的通信情況動(dòng)態(tài)變化。廣播信道BCH下行傳播有關(guān)傳輸功率級(jí)別、喚醒指示器、FCH和 RCH的起始點(diǎn)和長度等信息。幀控制信道FCH詳細(xì)描述在當(dāng)前的MAC幀中資源的分配情況。訪問反饋信道ACH傳輸與前一幀的RCH相關(guān)的

17、應(yīng)答信息。MT用隨機(jī)信道RCH向AP請(qǐng)求分配上行或下行傳輸資源，并傳輸某些RLC 信令信息。每扇區(qū)至少要保證擁有一個(gè)RCH，若MT發(fā)來的RR(Resource Request)增加，AP將分配更多的資源給RCH。這些控制信息通過MAC幀進(jìn)行發(fā)送并且到達(dá)所有的MT，MT一直監(jiān)聽并處理來自BCH和FCH的信息，當(dāng)它嘗試接入RCH后，也要監(jiān)聽相應(yīng)的ACH，以獲得RG(Resource Grant)。 MT接入RCH的過程是由競爭窗CWa來控制的。第一次接入之前，要產(chǎn)生一個(gè)數(shù)字a，并將其置為零。初次嘗試： a=0 CW0 = n256 2a256重發(fā)： a1 CWa = 2a n<2a256n

18、n2a 當(dāng)在RCH信道進(jìn)行第a次重發(fā)時(shí)，要在1, CWa之間隨機(jī)選擇一個(gè)參數(shù)ra(若a=0，則ra=1)，然后，MT開始計(jì)算MAC幀的RCH的數(shù)目，當(dāng)數(shù)到第ra個(gè)RCH時(shí)，MT接入該RCH。若接入成功，a重新置零，以備下次嘗試接入再用;若接入失敗，AP就通過下一幀的ACH告訴MT發(fā)生碰撞，則a=a +1，再重復(fù)以上步驟。 AP為了控制資源配置，需要知道自身緩沖區(qū)和MT緩沖區(qū)的配置，因此，MT在RR中要說明自己的緩沖區(qū)狀態(tài)，并根據(jù)傳輸能力來請(qǐng)求資源分配。AP根據(jù)緩沖區(qū)的狀態(tài)和所有的RR信息，按需考慮服務(wù)質(zhì)量要求，并公平的分配資源。若RR發(fā)送成功，AP就通過下一幀的ACH告訴MT發(fā)送成功并通過FC

19、H來安排一幀內(nèi)的詳細(xì)的資源分配，例如MT應(yīng)該發(fā)送和接收的時(shí)隙。MAC幀結(jié)構(gòu)下圖所示。3. HomeRF 家庭射頻HomeRF技術(shù)是對(duì)現(xiàn)有無線通信標(biāo)準(zhǔn)的綜合和改進(jìn)，無繩電話技術(shù)DECT(Digital Enhanced Cordless Telephone)和WLAN技術(shù)相互融合構(gòu)成HomeRF采用的共享無線應(yīng)用協(xié)議SWAP(Shared Wireless Access Protocol)。SWAP采用TDMA+CSMA/CA方式，適用于小范圍內(nèi)的多種傳輸業(yè)務(wù)類型，并且能夠與公眾交換電話網(wǎng)PSTN和互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行交互式操作。HomeRF把業(yè)務(wù)類型分為三種：交互式語音及其它實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)、高速分組數(shù)據(jù)和有優(yōu)

20、先級(jí)的流媒體業(yè)務(wù)，并根據(jù)業(yè)務(wù)的不同要求采用不同的接入機(jī)制。對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)采用CSMA/CA機(jī)制，獲得除為話音預(yù)留時(shí)隙之外剩余時(shí)隙的使用權(quán)，其接入方式與802.11中的DCF相一致。而對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的同步全雙工均衡語音服務(wù)完全以DECT規(guī)范為基礎(chǔ)，采用TDMA方式和分組預(yù)約話音插空技術(shù)以進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)容量，滿足對(duì)時(shí)延的要求。而對(duì)實(shí)時(shí)性要求介于兩者之間的流媒體業(yè)務(wù)則采用了UDP/IP協(xié)議，規(guī)定了高級(jí)別的優(yōu)先權(quán)并采用了帶有優(yōu)先權(quán)的重發(fā)機(jī)制，可隨時(shí)占用數(shù)據(jù)信道資源，這樣就確保了實(shí)時(shí)性流媒體業(yè)務(wù)所需的帶寬和低干擾、低誤碼。SWAP最多可以同時(shí)支持8個(gè)工作在單工、雙工及多播等多種方式的流媒體

21、業(yè)務(wù)。HomeRF的協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如下圖所示。 TDMA傳輸?shù)恼Z音數(shù)據(jù)需要一個(gè)非常規(guī)則的時(shí)隙信道，而CSMA/CA機(jī)制則以一種不確定的方式搶占時(shí)隙，處于競爭狀態(tài)。為了在20ms內(nèi)支持以上兩種數(shù)據(jù)類型的傳輸，SWAP協(xié)議規(guī)定了兩種幀結(jié)構(gòu)以滿足不同業(yè)務(wù)類型的需求。其結(jié)構(gòu)如圖5所示。一種是20ms的超幀(Superframe)，另一種是10ms的子幀(Subframe)，AP根據(jù)是否有語音服務(wù)而決定采用哪種幀結(jié)構(gòu)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中只有數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)時(shí)，HomeRF將使用超幀，在一個(gè)跳頻點(diǎn)上的通信時(shí)間為20ms，并且采用異步方式。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中有語音業(yè)務(wù)時(shí)，此時(shí)采用10ms的子幀，并增加了一個(gè)標(biāo)志位以同步方式進(jìn)行通信。無論在哪種幀結(jié)構(gòu)中，大部分的時(shí)隙會(huì)留給異步數(shù)據(jù)通信，同時(shí)根據(jù)激活的話音信道數(shù)目，動(dòng)態(tài)的為語音業(yè)務(wù)預(yù)留一部分資源，HomeRF最多可同時(shí)支持8路全雙工語音通信，而當(dāng)有剩余